Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI observaram pela primeira vez processos fotoquímicos dentro das menores partículas do ar. Ao fazer isso, eles descobriram que radicais de oxigênio adicionais que podem ser prejudiciais à saúde humana são formados nesses aerossóis em condições cotidianas. Eles relatam seus resultados hoje no jornal Nature Communications .

É bem sabido que as partículas em suspensão podem representar um perigo para a saúde humana. As partículas, com um diâmetro máximo de dez micrômetros, pode penetrar profundamente no tecido pulmonar e aí se estabelecer. Eles contêm espécies reativas de oxigênio (ROS), também chamados de radicais de oxigênio, que pode danificar as células dos pulmões. Quanto mais partículas flutuam no ar, quanto maior o risco. As partículas chegam ao ar de fontes naturais, como florestas ou vulcões. Mas as atividades humanas, por exemplo, em fábricas e tráfego, multiplique a quantidade para que as concentrações atinjam um nível crítico. O potencial do material particulado para trazer radicais de oxigênio para os pulmões, ou para gerá-los lá, já foi investigado por várias fontes. Agora, os pesquisadores do PSI obtiveram novos insights importantes.

De pesquisas anteriores, sabe-se que algumas ROS são formadas no corpo humano quando as partículas se dissolvem no fluido de superfície do trato respiratório. O material particulado geralmente contém componentes químicos, por exemplo, metais como cobre e ferro, bem como certos compostos orgânicos. Estes trocam átomos de oxigênio com outras moléculas, e compostos altamente reativos são criados, como peróxido de hidrogênio (H2O2), hidroxil (HO), e hidroperoxil (HO2), que causam o chamado estresse oxidativo. Por exemplo, eles atacam os ácidos graxos insaturados no corpo, que então não podem mais servir como blocos de construção para as células. Os médicos atribuem a pneumonia, asma, e várias outras doenças respiratórias a tais processos. Até o câncer pode ser desencadeado, uma vez que o ROS também pode danificar o DNA do material genético.

Novos insights graças a uma combinação única de dispositivos

Já se sabe há algum tempo que certas espécies reativas de oxigênio já estão presentes em partículas na atmosfera, e que eles entram em nosso corpo como os chamados ROS exógenos por meio do ar que respiramos, sem ter que formar lá primeiro. Como agora acontece, os cientistas ainda não haviam olhado de perto o suficiente:"Estudos anteriores analisaram o material particulado com espectrômetros de massa para ver em que consiste, "explica Peter Aaron Alpert, primeiro autor do novo estudo PSI. "Mas isso não dá nenhuma informação sobre a estrutura das partículas individuais e o que está acontecendo dentro delas."

Alpert, em contraste, usou as possibilidades que a PSI oferece para ter uma visão mais precisa:"Com a luz de raios-X brilhante da Swiss Light Source SLS, fomos capazes não apenas de ver essas partículas individualmente com uma resolução de menos de um micrômetro, mas até mesmo para olhar para as partículas enquanto as reações estavam ocorrendo dentro delas. "Para fazer isso, ele também usou um novo tipo de célula desenvolvido no PSI, em que uma ampla variedade de condições ambientais atmosféricas pode ser simulada. Ele pode regular a temperatura com precisão, umidade, e exposição ao gás, e tem uma fonte de luz ultravioleta LED que representa a radiação solar. "Em combinação com microscopia de raios-X de alta resolução, esta célula existe apenas um lugar no mundo, "diz Alpert. O estudo, portanto, só teria sido possível no PSI. Ele trabalhou em estreita colaboração com o chefe do Grupo de Pesquisa em Química de Superfície do PSI, Markus Ammann. Ele também recebeu apoio de pesquisadores que trabalham com os químicos atmosféricos Ulrich Krieger e Thomas Peter na ETH Zurique, onde experimentos adicionais foram realizados com partículas suspensas, bem como especialistas que trabalham com Hartmut Hermann do Instituto Leibniz para Pesquisa Troposférica em Leipzig.

Como compostos perigosos se formam

Os pesquisadores examinaram partículas contendo componentes orgânicos e ferro. O ferro vem de fontes naturais, como poeira do deserto e cinzas vulcânicas, mas também está contido nas emissões da indústria e do tráfego. Os componentes orgânicos também vêm de fontes naturais e antropogênicas. Na atmosfera, esses componentes se combinam para formar complexos de ferro, que então reagem aos chamados radicais quando expostos à luz solar. Estes, por sua vez, ligam todo o oxigênio disponível e, assim, produzem as ROS.

Normalmente, em um dia úmido, uma grande proporção dessas ROS se difundiria das partículas para o ar. Nesse caso, não representa mais perigo adicional se inalarmos as partículas, que contêm menos ROS. Em um dia seco, Contudo, esses radicais se acumulam dentro das partículas e consomem todo o oxigênio disponível em segundos. E isso se deve à viscosidade:o material particulado pode ser sólido como pedra ou líquido como água, mas dependendo da temperatura e da umidade, também pode ser semifluido como xarope, goma de mascar seca, ou gotas para a garganta de ervas suíças. "Este estado da partícula, nós achamos, garante que os radicais permaneçam presos na partícula, "diz Alpert. E nenhum oxigênio adicional pode entrar de fora.

É especialmente alarmante que as concentrações mais altas de ROS e radicais se formem por meio da interação de ferro e compostos orgânicos nas condições climáticas cotidianas:com uma média abaixo de 60 por cento e temperaturas em torno de 20 graus C. também condições típicas para salas internas. "Costumava-se pensar que as ROS só se formavam no ar - se é que formavam - quando as partículas de poeira fina contêm compostos comparativamente raros, como quinonas, "Alpert diz. Estes são fenóis oxidados que ocorrem, por exemplo, nos pigmentos de plantas e fungos. Recentemente, tornou-se claro que existem muitas outras fontes de ROS em partículas. "Como já determinamos, essas fontes radicais conhecidas podem ser significativamente reforçadas em condições diárias completamente normais. ”Cerca de cada vigésima partícula é orgânica e contém ferro.

But that's not all:"The same photochemical reactions likely takes place also in other fine dust particles, " says research group leader Markus Ammann. "We even suspect that almost all suspended particles in the air form additional radicals in this way, " Alpert adds. "If this is confirmed in further studies, we urgently need to adapt our models and critical values with regard to air quality. We may have found an additional factor here to help explain why so many people develop respiratory diseases or cancer without any specific cause."

At least the ROS have one positive side—especially during the COVID-19 pandemic—as the study also suggests:They also attack bacteria, viruses, and other pathogens that are present in aerosols and render them harmless. This connection might explain why the SARS-CoV-2 virus has the shortest survival time in air at room temperature and medium humidity.